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中国科学技术大学赵忠课题组揭示生长素调控植物干细胞稳态的新机制

干细胞在植物的生长发育过程中起到了及其重要的作用,植物地上和地下绝大部分的器官,包括茎、真叶、花、果实和根系均来自植物茎顶端和根顶端干细胞的分裂和分化。植物在生长发育过程中,在茎尖和根尖的特殊区域终生维持干细胞的活性,因此植物干细胞稳态的维持和自我更新对于植物干细胞的功能和各种组织器官的形成具有重要的意义。


生长素是植物中研究历史最长的激素,长期以来被广泛认知的一个功能是促进植物细胞的分化。在植物的茎顶端分生组织中,生长素被运输到侧生器官原基区域积累,并起始了侧生器官原基的形成。近年来越来越多新的实验证据表明,生长素同样可以被运输到干细胞区域富集,但是生长素在干细胞中的功能却知之甚少。


近日,中国科学技术大学赵忠教授课题组在著名学术期刊Molecular Plant发表了题为“A Molecular Framework for Auxin-Controlled Homeostasis of Shoot Stem Cells in Arabidopsis”的研究论文,阐述了在拟南芥茎顶端分生组织中生长素的作用。发现其除了具有能够促进干细胞分化的功能之外,还能够维持干细胞的稳态,揭示了生长素维持干细胞数目稳定的新机制。


该研究利用了基于全基因组表达谱的深度测序技术,鉴定了生长素信号通路的关键调节因子MONOPTEROS (MP/ARF5) 在植物茎顶端干细胞中的特异下游调控基因DORNROSCHENDRN)。DRN在干细胞中表达,MP可以直接结合在DRN的启动子上并抑制其表达。DRN及其同源基因功能的缺失导致了干细胞数目维持的不稳定性。进一步的研究证明了DRN以不依赖于结合DNA的方式直接激活CLV3的表达,进而参与到CLV3/WUS的负反馈循环中,调控了干细胞数目的稳定。本研究揭示了生长素维持植物干细胞数目稳定的生物学过程,提供了生长素调控干细胞稳定的新机制。



研究中也发现了值得继续探讨的新科学问题。作为转录因子的DRN直接激活下游基因的表达,可以依赖或不依赖其DNA结合活性,这是一个非常意外的机制,其生物学意义尚不明确,很有可能其它因子与其协同作用一起激活下游基因转录。其次,在CLV3/WUS负反馈循环消失时,过量表达DRN会促进干细胞的增殖,说明DRN除了参与CLV3/WUS负反馈维持干细胞数目的稳定之外,还可以独立的促进干细胞的维持,这个过程中具体的分子机制还有待阐明。


该论文的第一作者为中国科学技术大学罗林杰博士,通讯作者为中国科学技术大学赵忠教授。相关工作得到科技部和国家自然科学基金等项目资助。

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